Vật liệu phi kim loại – Tổng hợp kiến thức

Trong ngành công nghiệp chế tạo máy móc hiện đại, bên cạnh việc sử dụng vật liệu xây dựng bằng kim loại, vật liệu phi kim loại cũng được sử dụng nhờ những ưu điểm vượt trội như tính dẫn điện, dẫn nhiệt, trọng lượng nhẹ và khả năng kháng hóa chất tốt.

1. Vật liệu phi kim loại là gì?

Vật liệu kim loại có thể tồn tại ở một số trạng thái khác nhau:

• Trạng thái rắn, chẳng hạn như than chì, mica, fenspat, có cấu trúc mạng tinh thể kim loại, nhưng thiếu tính chất kim loại.
• Trạng thái vô định hình – trạng thái chính của vật liệu kim loại, ví dụ như vật liệu polymer. Ở trạng thái này, các nguyên tử không ở dạng mạng tinh thể rắn như trong kim loại, nhưng chúng vẫn có một sự sắp xếp độc đáo được gọi là ma trận.
• Trạng thái thủy tinh là vật chất ở trạng thái bao gồm các hạt có cấu trúc mạng tinh thể rắn được hợp nhất thành một khối duy nhất. Sau khi thiêu kết, các hạt liên kết với nhau do lực liên phân tử. Vật liệu liên kết trong vật liệu thủy tinh có thể được thêm vào trong quá trình trộn nguyên liệu hoặc có thể được tạo ra một cách tự nhiên bằng cách tách một phần lớp bề mặt của các hạt rắn. Liên kết trong vật liệu thủy tinh là vô định hình.

2. Các loại vật liệu phi kim loại thường gặp

2.1. Chất dẻo

Chất dẻo là một loại polymer kim loại được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày như bao bì, linh kiện máy móc, công nghiệp điện, điện tử. Chất dẻo có một số tính năng nổi bật, chẳng hạn như mật độ thấp, kháng hóa chất tốt, cách điện và cách nhiệt tốt, độ bám dính tốt và dễ gia công. Tuy nhiên, chúng cũng có những hạn chế như tính dẫn điện và nhiệt thấp và dễ bị lão hóa.

Dựa vào bản chất liên kết, chất dẻo có thể được chia thành hai loại:

• Chất dẻo nhiệt rắn: chúng mất đi tính mềm mại khi đun nóng và không hòa tan, ví dụ: Bakelite, polyamit, epoxy. Nhựa nhiệt rắn có cấu trúc mạng lưới.
• Chất đàn hồi nhiệt dẻo: chúng có cấu trúc chuỗi thẳng và phân nhánh, ví dụ: Polyvinylaxetat, Polyisobutylen.

Một số loại chất dẻo phổ biến là:

• Các loại chất dẻo tỷ trọng cao như PP, PE được dùng để đóng gói sản phẩm, chai, lọ…
• Chất dẻo trong suốt như PMMA, PS được dùng làm cửa sổ máy bay, đồ gia dụng, dụng cụ đo lường.
• Chất dẻo PVC được dùng làm ống, vỏ dây điện nhưng không dùng để đựng thực phẩm.
• Bakelite, tetolit, polyamit, v.v. có độ cứng và khả năng chịu nhiệt cao thường được sử dụng cho các linh kiện điện và chi tiết máy.

2.2. Cao su

Đây là loại vật liệu phi kim loại có tính đàn hồi cao ở nhiệt độ thường. Cao su có khả năng chịu nén tốt, chịu lực căng kém, không thấm nước, ổn định khi giặt, cách nhiệt tốt.

Cao su đã được lưu hóa (với hàm lượng lưu huỳnh 1-5%) đã cải thiện đáng kể cơ tính, tăng mô đun đàn hồi và vẫn giữ nguyên tính chất đàn hồi. Loại này gọi là cao su mềm (hay elastomer).

Khi lưu hóa với lượng lưu huỳnh càng cao thì cao su càng cứng, khả năng chống ăn mòn và axit tốt nhưng tính đàn hồi kém. Loại này được gọi là cao su cứng.

Cao su được sử dụng rộng rãi trong sản xuất lốp ô tô (cao su styren-butadien). Cao su nitrile butadien được ứng dụng để chế tạo các sản phẩm sử dụng trong môi trường xăng, dầu, mỡ như ống áp lực, ống cao su mềm, ống gas, ống hơi. Cao su cứng ebonit được dùng trong kỹ thuật điện.

2.3. Compozit

Vật liệu compozit là một hợp chất hóa học gồm các pha thành phần khác nhau, được tạo ra bởi sự can thiệp kỹ thuật của con người. Compozit thường bao gồm 2 pha: pha liên tục (nền) và pha phân bố gián đoạn (cốt). Nền thường là chất dẻo, kim loại hoặc gốm, còn cốt thường là chất vô cơ, chất hữu cơ, kim loại. Tính chất cơ học của compozit là lựa chọn phù hợp và phát huy những ưu việt của từng pha thành phần, nhưng không bao gồm tính chất của các pha thành phần.

Nền là pha liên tục có vai trò liên kết toàn bộ các phần tử cốt tạo thành một khối thống nhất, đồng thời che phủ và bảo vệ cốt khỏi môi trường bên ngoài. Chất dẻo, kim loại và gốm là những loại nền thường sử dụng. Cốt là pha không liên tục có vai trò là pha tạo nên độ bền, độ đàn hồi và độ cứng. Chất vô cơ (sợi bo, sợi thủy tinh, sợi cacbon…), chất hữu cơ (sợi polyamide), kim loại (sợi thép không gỉ, bột molipden, bột vonfram).

Một số loại compozit sử dụng trong cơ khí: Compozit cốt hạt, Compozit cốt sợi

2.3.1. Compozit cốt hạt

Compozit cốt hạt phi kim loại có đặc điểm là các phần tử cốt hạt cứng hơn nền thường là các oxit, cacbit… Trong đó, nền là coban và cốt là các hạt cacbit. Compozit cốt hạt khác là bê tông, trong đó nền là xi măng và cốt là đá, sỏi, cát.

2.3.2. Compozit cốt sợi

Loại compozit cốt sợi có độ bền và độ đàn hồi cao, cốt phải có độ bền và độ vững cao. Hiệu quả của compozit này còn phụ thuộc vào hình dáng, kích thước và sự phân bố sợi. Compozit polyme sợi thủy tinh được sử dụng để làm vỏ xe ô tô, tàu biển, ống dẫn và tấm lót sàn công nghiệp. Compozit polyme sợi carbon thường được sử dụng để chế tạo chi tiết của máy bay. Compozit kim loại sợi (có nền là Cu, Al, Mg… cốt là sợi cacbon, bo, cacbua silic) có khả năng chịu nhiệt cao, được sử dụng để chế tạo chi tiết trong tuabin.

2.4. Gỗ

Vật liệu phi kim loại được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như xây dựng, giao thông, chế tạo máy và tiêu dùng.

Gỗ có những tính chất chung như: hút ẩm, hút nước và thẩm thấu nước, có khả năng co rút và giãn nở, dẫn nhiệt, cách điện, có cấu tạo không đồng nhất, khối lượng riêng lớn và chịu lực lớn. Khi hút ẩm, gỗ sẽ bị trương nở. Để gia tăng độ cách điện, người ta thường tẩm gỗ bằng dung dịch parafin hoặc keo nhân tạo. Gỗ cũng có khả năng chịu lực dọc thớ tốt hơn chịu uốn, nén và cắt. Độ ẩm càng lớn thì tính dẫn nhiệt càng cao, gỗ dẫn nhiệt theo phương dọc thớ gấp 2 – 2,5 lần theo phương ngang thớ.

Vật liệu tự nhiên này có trọng lượng nhẹ, chắc chắn và dễ dàng tìm kiếm và gia công. Ngoài ra, nó còn có khả năng chịu lực tốt hơn gạch và bê tông, cũng như khả năng cách điện tốt.

Khuyết điểm của nó là cơ tính không đồng nhất và có nhiều khuyết tật, cũng như rất dễ bị mục, mối mọt.